CN106370525A - 一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，研究装置包括加压空间、设置在加压空间上方的数据采集单元以及与加压空间连接的压力控制单元，加压空间由透明顶盖、套筒、透明底座围成，透明顶盖和透明底座分别套设在套筒的两端，并通过螺栓将透明顶盖和透明底座固定连接，数据采集单元设置在透明顶盖上方，透明底座设有接口，接口与压力控制单元连接。与现有技术相比，本发明具有功能可选、可靠性高、可视化、成本低、易操作等优点。

Description

一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置
技术领域
本发明涉及土木工程及地质工程技术领域，具体涉及一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置。
背景技术
膨润土被选为高水平放射性废物深地质处置的缓冲/回填材料，主要是其在高压实状态具有高膨胀自愈性、低渗透性和强吸附性。这些特性使得高压实膨润土能较好地阻止核素迁移，实现其作为工程屏障的功能作用。
实际工程中，深地质处置库被埋于距地表500-1000m深的稳定岩层中。在这种厌氧条件下，由于地下水侵蚀、有机物降解以及水的辐解，高压实膨润土中会产生气体。在处置库运营初期，气体产生速率比较低，主要溶解在水中，并且其中的大部分气体可以通过扩散作用迁移出去。当处置库运营一段时间之后，气体产生的速率大于其向外的扩散速率，此时高压实膨润土中就会出现独立气相。此后，随着气体不断聚集，气压不断增大，导致气体将向屏障和围岩中渗透，并可能导致高压实膨润土产生劈裂。另一方面，随着围岩地下水不断渗入高压实膨润土，水压逐渐增大；一旦水压超过高压实膨润土的力学强度，也会导致其发生水力劈裂。无论是气体劈裂还是水力劈裂，产生的这些裂缝均给核素和污染物的迁移提供了优势通道，导致环境污染，并严重威胁人类生存安全。由此可见，针对高压实膨润土在局部高气压、高水压作用下的劈裂演化规律开展研究，对发挥工程屏障系统的防渗性能、确保处置库安全运营至关重要。
针对高压实膨润土水力和气体劈裂特性的研究，现有研究工作及研究手段主要集中在水力劈裂和气体渗透研究等方面，而针对局部高气压条件下高压实膨润土中气体迁移特性与劈裂特征的研究鲜有报道。目前，现有技术存在以下问题：
(1)试验通常只能观察到试样劈裂前后的形态，不能观察到试样劈裂的动态发展过程；
(2)功能比较单一，可扩展性差。试验往往只能对特定大小的试样进行水力试验；
(3)试样压制不均匀、劈裂不易判定等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可视化、结果可靠性强、成本低的多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，所述研究装置包括加压空间、设置在加压空间上方的数据采集单元以及与加压空间连接的压力控制单元，所述加压空间由透明顶盖、套筒、透明底座围成，所述透明顶盖和透明底座分别套设在套筒的两端，并通过螺栓将透明顶盖和透明底座固定连接，所述数据采集单元设置在透明顶盖上方，所述透明底座设有接口，所述接口与压力控制单元连接。本发明的研究装置通过螺栓组装在一起，拆装均很方便，而且根据待测膨润土的多少，可以选择不同体积的套筒，测试更加灵活。
所述的透明顶盖包括中心的有机玻璃顶盖以及固定连接在有机玻璃顶盖外侧的不锈钢顶盖，所述有机玻璃顶盖中心设有排气孔，用于排除劈裂前和劈裂时渗透过来的气体或水，所述不锈钢顶盖上设有螺栓卡口。
所述的透明顶盖和套筒上端之间设有密封圈。
所述的透明底座包中心的有机玻璃底座以及固定连接在有机玻璃底座外侧的不锈钢底座，所述有机玻璃底座中心设有接口，所述不锈钢底座上设有与不锈钢顶盖上螺栓卡口相匹配的螺栓卡口。
所述的透明底座和套筒下端之间设有密封圈。
所述的加压空间底部铺设透水石层，或者在加压空间底部接口处设置注水针，分别起到水/气的面源和点源的作用，以提供平面或点的水/气压，实现不同劈裂模式的研究。
待测膨润土放置在加压空间后，用有机玻璃块进行填充，使膨润土顶面位移受到限制，实现恒体积劈裂作用。或不使用有机玻璃填充，实现顶部自由条件下的劈裂。
所述数据采集单元为摄像机，所述摄像机设置在透明顶盖上方，通过透明顶盖观察加压空间内待测膨润土的劈裂特性。
所述摄像机固定安装在高度可调节的台架上。通过定时摄像技术，能捕捉试验过程不同时刻的图像，实现试验数据的自动连续采集，并可通过图像处理软件进行数据定量分析。
所述压力控制单元包括GDS压力/体积控制器或高压氮气控制器，优选GDS压力/体积控制器。GDS压力/体积控制器设有一个步进马达和螺旋驱动器驱动活塞直接压缩水，压力通过闭合回路控制调节，通过计算步进马达的步数测量体积变化，可以测量到1mm3，且GDS压力/体积控制器，能实现恒速加压和恒流量注水，并实时记录注入体积与压力的变化，另外，GDS压力/体积控制器还有检测加压空间内压力的功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)本发明采用透明材料有机玻璃，实现了劈裂过程研究的可视化与动态化研究；
(2)本发明通过组件的标准化，实现组件的拆卸组合，能够实现多种试验目的，比如圆饼状样的高气压劈裂裂，圆柱状恒体积样的高水压劈裂；
(3)本发明采用GDS压力/体积控制器，能实现恒速加压和恒流量注水，并实时记录注入体积与压力的变化；
(4)本发明通过定时摄像技术，能捕捉试验过程不同时刻的图像，实现试验数据的自动连续采集，并可通过图像处理软件进行数据定量分析；
(5)本发明的试验装置价格低廉，操作简单，可重复组合使用，成本低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为实施例1中加压空间内待测膨润土的装填状态；
图2b为实施例2中加压空间内待测膨润土的装填状态；
图2c为实施例3中加压空间内待测膨润土的装填状态；
图3为透明顶盖的结构示意图；
图4为透明底座的结构示意图；
图5为实施例1所得膨润土劈裂特性的测试结果图。
其中，1为不锈钢底座，2为有机玻璃底座，3为有机玻璃顶盖，4为不锈钢顶盖，5为套筒，6为螺栓，7为接口，8为排气孔，9为密封圈，10为GDS压力/体积控制器，11为导管，12为台架，13为摄像机，14为透水石层，15为注水针，16为有机玻璃块，17为待测膨润土，18为螺栓卡口。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种多功能可视化高压实膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其结构如图1所示，用于测定圆饼状高压实膨润土在底部均匀气压下的劈裂特性。该装置包括加压空间、与加压空间相连的注水控制组件和数据采集组件。压力空间包括从下至上依次连接的透明顶盖、套筒5、透明底座，其中透明顶盖和透明底座的结构分别如图3和图4所示，透明顶盖包括中心的有机玻璃顶盖3以及固定连接在有机玻璃顶盖3外侧的不锈钢顶盖4，有机玻璃顶盖3中心设有排气孔8，不锈钢顶盖4上设有螺栓卡口18；透明底座包中心的有机玻璃底座2以及固定连接在有机玻璃底座2外侧的不锈钢底座1，有机玻璃底座2中心设有接口7，不锈钢底座1上设有与不锈钢顶盖相匹配的螺栓卡口18。不锈钢底座1和不锈钢顶盖4通过螺栓6进行连接。为保证密封性，顶盖、底座和套筒接触面均设有密封圈9。注水控制组件包括依次连接的GDS压力/体积控制器10、不锈钢导管11，接口7与不锈钢导管10连通。数据采集组件包括固定摄像机的台架12和摄像机13，摄像机13可在一定的空间范围移动位置。
实验开始时，准备试样：根据预设的干密度和含水率，通过双活塞静压法在套筒的特定位置压制高5mm直径50mm的试样，将不锈钢透水石放置到待测膨润土17底端，固定并与套筒平齐，即在套筒底部形成透水石层14。安装仪器，将密封圈放置到密封槽内，将套筒安装到透明底座上，再将透明顶盖安装到位，通过螺栓将透明底座和透明顶盖固定在一起，形成加压空间，加压空间的结构如图2a所示。开始试验：调整摄像机位置，打开摄像机并设置拍摄模式为摄影。设定GDS压力/体积控制器的恒定注气/水速率为5mm3/s，通过GDS压力/体积控制器测试加压空间内压力随时间的变化值，以及通过摄像机观察待测膨润土的劈裂现象。
测试结果如图5所示，图中可以看到几次的压力突然降低就意味着劈裂的出现，且测验全过程均能获得试验图像。
实施例2
采用与实施例1相同的研究装置，不同之处在于：
将注水针15安装在透明底座上，并与接口连通。待测膨润土17为高100mm直径50mm，待测膨润土17底部人工钻孔获得直径50mm、长度50mm钻孔。安装时，在注水针15侧壁涂抹环氧树脂保证与待测膨润土17的接触，固化24h后进行仪器安装并开始注水劈裂试验。
实施例3
采用与实施例2相同的研究装置，不同之处在于：
本实施例的待测膨润土17上方还填充有及玻璃块16。

Claims (10)

1.一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其特征在于，所述研究装置包括加压空间、设置在加压空间上方的数据采集单元以及与加压空间连接的压力控制单元，所述加压空间由透明顶盖、套筒、透明底座围成，所述透明顶盖和透明底座分别套设在套筒的两端，并通过螺栓将透明顶盖和透明底座固定连接，所述数据采集单元设置在透明顶盖上方，所述透明底座设有接口，所述接口与压力控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其特征在于，所述的透明顶盖包括中心的有机玻璃顶盖以及固定连接在有机玻璃顶盖外侧的不锈钢顶盖，所述有机玻璃顶盖中心设有排气孔，所述不锈钢顶盖上设有螺栓卡口。
3.根据权利要求2所述的一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其特征在于，所述的透明顶盖和套筒上端之间设有密封圈。
4.根据权利要求2所述的一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其特征在于，所述的透明底座包括中心的有机玻璃底座以及固定连接在有机玻璃底座外侧的不锈钢底座，所述有机玻璃底座中心设有接口，所述不锈钢底座上设有与不锈钢顶盖上螺栓卡口相匹配的螺栓卡口。
5.根据权利要求4所述的一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其特征在于，所述的透明底座和套筒下端之间设有密封圈。
6.根据权利要求1所述的一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其特征在于，所述的加压空间底部铺设透水石层，或者在加压空间底部接口处设置注水针。
7.根据权利要求1所述的一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其特征在于，待测膨润土放置在加压空间后，用有机玻璃块进行填充。
8.根据权利要求1所述的一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其特征在于，所述数据采集单元为摄像机，所述摄像机设置在透明顶盖上方，通过透明顶盖观察加压空间内待测膨润土的劈裂特性。
9.根据权利要求8所述的一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其特征在于，所述摄像机固定安装在高度可调节的台架上。
10.根据权利要求1所述的一种多功能可视化膨润土水力和气压劈裂特性研究装置，其特征在于，所述压力控制单元包括GDS压力/体积控制器或高压氮气控制器。
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